Idén var så långsökt att det verkade som science fiction:skapa ett observatorium av ett en kubikkilometer isblock i Antarktis för att spåra spöklika partiklar som kallas neutriner som passerar genom jorden. Men när jag pratade med Benedickt Riedel, global datoransvarig vid IceCube Neutrino Observatory, det är helt vettigt.

"Att bygga ett jämförbart observatorium någon annanstans skulle vara astronomiskt dyrt, Riedel förklarade. "Antarktis is är ett fantastiskt optiskt material och låter oss känna neutriner som ingen annanstans."

Neutrinos är neutrala subatomära partiklar med en massa nära noll som kan passera genom fasta material med nära ljusets hastighet, reagerar sällan med normal materia. De upptäcktes först på 1950-talet i experiment som fungerade nära kärnreaktorer, som också genererar dessa partiklar. De visade sig vidare skapas av kosmiska strålar som interagerar med vår atmosfär. Men astrofysiker trodde att de sannolikt var utbredda och orsakade av en mängd olika kosmiska händelser, om de bara kunde upptäckas.

Viktigt, forskare trodde att de kunde vara kritiska ledtrådar till andra fenomen. "20 procent av det potentiellt synliga universum är mörkt för oss, Riedel förklarade. "Det beror mest på avstånd och universums ålder. Högenergiljus är också dolt. Det absorberas eller genomgår förvandling som gör det svårt att spåra tillbaka till en källa. IceCube avslöjar en bit av universum som vi ännu inte har observerat."

Ett viktigt nytt verktyg i Multi-Messenger Astronomy Toolbox

Multi-budbärare astronomi beskriver ett tillvägagångssätt som kombinerar observationer av ljus, gravitationsvågor, och partiklar för att förstå några av de mest extrema händelserna i universum. Neutrinos spelar en viktig roll i denna typ av forskning.

Före 1987, med explosionen av Supernova 1987a, alla astronomiska observationer utanför solen var fotonbaserade. I dag, ytterligare detektionssystem bidrar till vår syn på kosmos, inklusive alla skyundersökningar och gravitationsvågsdetektorer. Dock, de flesta observatorier kan bara titta på en liten del av himlen. IceCube, på grund av neutrinernas natur, kan observera dessa partiklars flygningar från vilken riktning som helst, och fungerar därför som en vaktpost i full himmel.

Isblocket vid Amundsen-Scott South Pole Station i Antarktis – upp till hundra tusen år gammalt och extremt klart – är instrumenterat med sensorer mellan 1, 450 och 2, 450 meter under ytan. När neutriner passerar genom isen, de kan interagera med en proton eller neutron, producerar fotoner som sedan färdas genom isen, och kan detekteras av en sensor. Sensorerna omvandlar dessa signaler från neutrinointeraktioner - en handfull en timme - till digital data som sedan analyseras för att avgöra om de representerar en lokal källa (jordens atmosfär) eller en avlägsen sådan.

"Baserat på analysen, forskare kan också avgöra var på himlen partikeln kom ifrån, dess energi, och ibland, vilken typ av neutrino-elektron, muon eller tau – det var, sa James Madson, verkställande direktör vid Wisconsin IceCube Particle Astrophysics Center.

Under 2017, IceCube upptäckte en neutrino med en energi på 290 teraelektronvolt (TeV) och skickade ut en varning. Detekteringen utlöste en omfattande kampanj som involverade mer än tjugo rymd- och markbaserade teleskop. De identifierade en blazar 3,5 miljarder ljusår bort, identifiera en högenergikälla för kosmisk strålning för första gången och lansera en ny era inom multi-budbärardetektering, enligt Riedl.

"Vi söker kontinuerligt i vår datauppsättning i nästan realtid efter intressanta neutrinohändelser, " förklarade han. "Vi hittade en och skickade ut en e-postvarning till samhället. De följde upp med alla dessa andra elektromagnetiska observationer, peka ut en känd gammastrålkälla. De fann också, under loppet av en månad, en ökad aktivitet från källan."

IceCube upptäcker bevis på högenergielektron-antineutrino

Den 10 mars, 2021, IceCube meddelade upptäckten av en Glashow-resonanshändelse, ett fenomen som förutspåddes av nobelpristagarens fysiker Sheldon Glashow 1960. Glashow-resonansen beskriver bildandet av ett W? boson – en elementarpartikel som förmedlar den svaga kraften – under interaktionen av en högenergielektron antineutrino med en elektron, toppar med en antineutrinoenergi på 6,3 petaelectronvolts (PeV). Dess existens är en nyckelförutsägelse av standardmodellen för partikelfysik. Resultaten visade ytterligare IceCubes förmåga att göra grundläggande fysik. Resultatet publicerades den 10 mars i Natur .

Även om denna energiskala är utom räckhåll för nuvarande och framtida planerade partikelacceleratorer, naturliga astrofysiska fenomen förväntas producera antineutriner som når bortom PeV-energierna. Nyheten om Glashow-resonansupptäckten, "föreslår närvaron av elektronantineutriner i det astrofysiska flödet, samtidigt som det ger ytterligare validering av standardmodellen för partikelfysik, ", skrev författarna. "Dess unika signatur indikerar en metod för att skilja neutrinos från antineutrinos, vilket ger ett sätt att identifiera astronomiska acceleratorer som producerar neutriner via haderonukleära eller fotohadroniska interaktioner, med eller utan starka magnetfält."

Neutrino-detektioner kräver betydande beräkningsresurser för att modellera detektorbeteendet och skilja extrasolsignaler från bakgrundshändelser skapade av kosmisk strålning i atmosfären. Riedel fungerar som koordinator för en stor grupp av forskare - så många som 300 enligt hans uppskattningar - som använder Frontera superdator vid Texas Advanced Computing Center (TACC), en National Science Foundation (NSF)-finansierad resurs för det nationella samhället.

IceCube tilldelades tid på Frontera som en del av Large Scale Community Partnership-spåret, som ger utökade tilldelningar på upp till tre år för att stödja långlivade vetenskapliga experiment. IceCube – som har samlat in data i 14 år och nyligen tilldelades ett anslag från NSF för att utöka verksamheten under de närmaste åren – är ett utmärkt exempel på ett sådant experiment.

"En del av resurserna från Frontera bidrog till den upptäckten, ", sa Riedl. "Det finns år av Monte Carlo-simuleringar som gick in i det för att komma på att vi kunde göra det här."

IceCube använder datorresurser från ett antal källor, inklusive Open Science Grid, Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE), deras egna lokala superdatorkluster, och nyligen Amazon Web Services-molnet. Frontera är det största systemet som används, dock, och kan hantera en stor del av neutrinogemenskapens beräkningsbehov, reservera lokala eller molnresurser för brådskande analyser, säger Riedel.

"Mycket av datoranvändningen på Frontera kanske inte är direkt associerad med upptäckter, men det hjälper på vägen, att urskilja signaler bättre och utveckla nya algoritmer, " han sa.

Modellera is och följa upp lovande signaler

De projekt som IceCube-forskare använder Frontera för varierar, men de involverar vanligtvis antingen beräkningar för att bättre förstå den optiska naturen hos isen generellt (så att banan och andra egenskaper hos neutrinodetektioner kan bestämmas exakt); eller beräkningar för att analysera specifika händelser som anses betydande.

Den första typen av beräkning använder främst strålspårning för att beräkna vägen för ljuset i isen från elektriskt laddade partiklar med hög energi som produceras när neutriner interagerar. Strålarna kan spridas eller absorberas av defekter i isen, komplicerande analys. Använda grafikbehandlingsenheter (GPU), Riedel har hittat, kan påskynda simuleringarna för att studera ljusets utbredning i isen hundratals gånger. IceCube-teamet är bland de största användarna av Frontera GPU-undersystemet som inkluderar NVIDIA RTX GPU:er.

Den andra typen av beräkning inträffar när forskare får en varning som säger att de har fått en intressant signal. "Vi startar en beräkning för att analysera händelsen som kan skalas till en miljon CPU:er, "Sade Riedl. "De har vi inte, så Frontera kan ge oss en del av den beräkningskraften för att köra en rekonstruktions- eller extraktionsalgoritm. Vi får den typen av evenemang ungefär en gång i månaden."

"Simuleringar i stor skala av IceCube-anläggningen och de data som den skapar gör att vi snabbt och exakt kan bestämma egenskaperna hos dessa neutriner, som i sin tur avslöjar fysiken för de mest energiska händelserna i universum, sa Niall Gaffney, TACC-direktör för Data Intensive Computing. "Detta är nyckeln till att validera den grundläggande kvantmekaniska fysiken i miljöer som inte praktiskt kan replikeras på jorden."

Dagens astronomer kan observera universum på många olika sätt, och datoranvändning är nu central för nästan alla av dem. "Vi har flyttat från den traditionella synen på en kille med ett teleskop som tittar upp mot himlen, till storskaliga instrument, till nu partikelfysik och partikelobservatorier, " sa Riedl. "Med detta nya paradigm, vi behöver stora mängder datoranvändning under korta tidsperioder för att göra stortidskänslig datoranvändning, och stora vetenskapliga beräkningscentra som TACC hjälper oss att göra vår vetenskap."